JP6480869B2 - Method and apparatus for evaluating bolt tightening force by ultrasonic means - Google Patents

Method and apparatus for evaluating bolt tightening force by ultrasonic means Download PDF

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トーグニー ロロフ,アナ
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Description

本発明は、ボルトを含むジョイントの緊締中のボルトにおける締付け力の超音波測定を行う方法並びに上記方法を実施する緊締装置に関するものである。   The present invention relates to a method for performing ultrasonic measurement of a tightening force in a bolt during tightening of a joint including a bolt, and a tightening device for performing the above method.

ボルトとナットとの間のジョイントを緊締する際に、ジョイントを緊締状態に維持する締付け力が発生される。この締付け力は、ボルトの締付け長さが変形すなわち伸長される結果として生じられる。一般には、緊締作業は二つの主要な段階、すなわちボルトをナット内に変形させずにねじ込む第一の段階と、例えばボルトとナットとの間のジョイントが確立されしかもボルトが変形されることになる第二の段階とに分けられ得る。ボルトは弾性的にも塑性的にも変形され得る。ねじ込み段階の終了と変形段階の開始との遷移点は従来滑り嵌めとして示される。   When tightening the joint between the bolt and the nut, a tightening force is generated to maintain the joint in a tightened state. This tightening force is produced as a result of the bolt tightening length being deformed or elongated. In general, the tightening operation has two main stages: a first stage in which the bolt is screwed into the nut without deformation, and a joint between the bolt and the nut is established and the bolt is deformed. It can be divided into a second stage. The bolt can be deformed both elastically and plastically. The transition point between the end of the screwing stage and the start of the deformation stage is conventionally shown as a sliding fit.

緊締作業を最適化するために、ジョイントに生じられる締付け力を調節することが望ましい。しかし、締め付け力を直接測定することは困難である。というのは希には可能であるがジョイント内に力測定手段を設けなければならないことを意味しているからである。代わりに、締付け力を間接的に測定する方法が開発されてきた。一つのかかる方法では、超音波を用いてボルトの伸びを測定する。その他の方法においては、ジョイントは、ある特定の締付け力までではなくある特定のトルクまで緊締される。   In order to optimize the tightening operation, it is desirable to adjust the tightening force generated on the joint. However, it is difficult to directly measure the tightening force. This is because although it is rarely possible, it means that force measuring means must be provided in the joint. Instead, methods have been developed to indirectly measure the clamping force. One such method uses ultrasonic waves to measure bolt elongation. In other methods, the joint is tightened to a certain torque rather than to a certain tightening force.

超音波法では、超音波脈動がボルトに伝達され、そしてしばしば飛行時間としてとらえられる応答時間がモニターされる。飛行時間はボルトの長さに対応している。従って飛行時間の測定値が長くなることはボルトの長さ従ってボルトにおける締付け力の増加に相当している。飛行時間は、少なくともボルトが単に弾性的に変形される限りにおいては、ボルトの伸びと共に線形的に長くなる。しかし、ボルトが塑性的に変形し始める程度まで変形される場合(これはある特定の応用では望ましい)には、新たな線形性が確立される。すなわち、飛行時間は弾性変形中より塑性変形中の方がゆっくりした速度で増加する。   In ultrasonic methods, ultrasonic pulsations are transmitted to the bolt and the response time, often taken as flight time, is monitored. The flight time corresponds to the length of the bolt. Thus, a longer measurement of time of flight corresponds to an increase in the length of the bolt and hence the tightening force on the bolt. The time of flight increases linearly with the elongation of the bolt, at least as long as the bolt is simply elastically deformed. However, if the bolt is deformed to such an extent that it begins to deform plastically (which is desirable in certain applications), a new linearity is established. That is, the time of flight increases at a slower rate during plastic deformation than during elastic deformation.

超音波法における問題点は測定結果の評価にある。まず第一に、緊締作業において滑り嵌めに達する前に、コスト及び時間の面で有効な仕方でボルトにおける飛行時間を測定するのが難しい。これは、一部、ポルトが締付けられる前すなわち滑り嵌めの前に、超音波計器とボルトとを良好に十分な接触を確立し難いことによる。滑り嵌めの後では、ボルトはジョイントに締付けられ、そして超音波計器とボルトとの良好な接触を達成するのが非常に容易である。   The problem with the ultrasonic method is the evaluation of the measurement results. First of all, it is difficult to measure the time of flight on a bolt in a cost and time efficient manner before reaching a slip fit in a tightening operation. This is partly because it is difficult to establish a good and sufficient contact between the ultrasonic instrument and the bolt before the port is tightened, ie before the sliding fit. After the sliding fit, the bolt is clamped to the joint and it is very easy to achieve good contact between the ultrasonic instrument and the bolt.

良好な接触を達成する従来の仕方は、ボルトの頭部に接触部片及び例えば圧電構成要素の形態の超音波パルス発生装置を組み込むことにある。しかし、この方法は極めてコストの掛かる解決策であり、かかるボルトは通常のボルトの価格の少なくとも二十倍のコストが掛かる。   A conventional way of achieving good contact is to incorporate a contact piece and an ultrasonic pulse generator, for example in the form of a piezoelectric component, in the bolt head. However, this method is a very costly solution and such bolts cost at least 20 times the price of normal bolts.

本発明の目的は、ジョイントの緊締中にボルトにおける飛行時間をコスト及び時間の両面において有効な仕方で評価する手段を提供することにある。   It is an object of the present invention to provide a means for evaluating the time of flight at a bolt in a cost and time efficient manner during joint tightening.

本発明の目的は、第一の特徴及び第二の特徴による本発明によって達成される。   The object of the present invention is achieved by the present invention according to the first and second features.

本発明の第一の特徴によれば、本発明は、緊締作業中にボルトと整合ねじ部片とのねじジョイントにおける締付け力を評価する方法に関し、かかる方法は、
・トルク供給装置によってジョイントを緊締するステップと、
・緊締中にジョイントに供給されたトルクを測定するステップと、
・ボルト内への超音波バルスの誘起と前記ボルトにおける前記超音波バルスの飛行時間(TOF)の測定とを同時に行うステップと
を含む。
本方法はさらに、
・トルクの測定値の増加に応じてトルクの増加割合を決めるために回転角の関数としてトルクをモニターするステップと、
・超音波パルスの飛行時間の増加割合を決めるために回転角の関数として超音波パルスの飛行時間をモニターするステップと、
・トルクの決めた増加割合に基いて、ボルトの変形の関数としてトルクが増加し始める緊締作業の初期回転角を決めるステップと、
・飛行時間が増加し始める回転角として緊締作業の前記初期回転角を画定するステップと、
・緊締作業の前記初期回転角及び飛行時間の前記増加割合に基いて緊締作業中の飛行時間の総増加を決めるステップと
を含む。
According to a first aspect of the present invention, the present invention relates to a method for evaluating a tightening force at a screw joint between a bolt and an alignment screw piece during a tightening operation, the method comprising:
A step of tightening the joint with a torque supply device;
Measuring the torque supplied to the joint during tightening;
Simultaneously inducing the ultrasonic pulse in the bolt and measuring the time of flight (TOF) of the ultrasonic pulse in the bolt.
The method further includes
Monitoring torque as a function of rotation angle to determine the rate of torque increase in response to an increase in torque measurement;
Monitoring the time of flight of the ultrasonic pulse as a function of rotation angle to determine the rate of increase of the time of flight of the ultrasonic pulse;
Determining an initial rotation angle of the tightening operation based on the determined rate of increase in torque, where the torque begins to increase as a function of bolt deformation;
Defining the initial rotation angle of the tightening operation as a rotation angle at which the flight time begins to increase;
Determining a total increase in flight time during the tightening operation based on the initial rotation angle of the tightening operation and the rate of increase in the flight time.

本発明の第二の特徴によれば、本発明は、少なくとも一つのボルトと整合ねじ部片とを含むジョイントを緊締する緊締装置に関し、
かかる緊締装置は、
・ボルト及び整合ねじ部片に相互回転を供給するために工具装置を駆動する軸と
・前記軸を駆動するモーターと
を含むトルク供給装置を有し、
緊締装置はさらに、
・前記ジョイントの緊締作業中にボルトと整合ねじ部片との間でジョイントに加えた回転角の関数としてトルクを測定するトルク測定装置と、
・少なくとも一つのボルトへ超音波パルスを誘起させ、そして前記ボルトにおける前記パルスの飛行時間を測定する超音波送信装置と、
・前記ジョイントの緊締中に少なくとも一つのボルトと整合ねじ部片との間の回転角(α)を測定する回転角測定装置と
を有し、
・測定したトルクに基いて、トルクの増加割合を回転角の関数として決め、
・超音波パルスの測定した飛行時間に基いて、飛行時間の増加割合を回転角の関数として決め、
・トルクの決めた増加割合に基いて、ボルトの変形によりトルクが増加し始める初期回転角を決め、
・飛行時間が増加し始める回転角として前記初期回転角を画定し、
・前記初期回転角及び飛行時間の前記増加割合に基いて、緊締作業中の飛行時間の総増加を決める
ようにされた制御ユニットを有することを特徴としている。
According to a second aspect of the invention, the invention relates to a fastening device for fastening a joint comprising at least one bolt and an alignment screw piece,
Such a tightening device is
A shaft for driving the tool device to supply mutual rotation to the bolt and the alignment screw piece; and a torque supply device including a motor for driving the shaft;
The tightening device
A torque measuring device that measures torque as a function of the rotational angle applied to the joint between the bolt and the alignment screw piece during the joint tightening operation;
An ultrasonic transmitter for inducing an ultrasonic pulse on at least one bolt and measuring the time of flight of the pulse on the bolt;
A rotation angle measuring device for measuring a rotation angle (α) between at least one bolt and the alignment screw part during tightening of the joint;
Based on the measured torque, determine the rate of torque increase as a function of rotation angle,
-Based on the measured flight time of the ultrasonic pulse, determine the rate of increase in flight time as a function of the rotation angle,
・ Based on the increase rate determined by the torque, determine the initial rotation angle at which the torque starts to increase due to the deformation of the bolt,
Defining the initial rotation angle as a rotation angle at which the flight time begins to increase;
And a control unit configured to determine a total increase in flight time during the tightening operation based on the initial rotation angle and the rate of increase in flight time.

本発明の特殊な実施形態では、トルクの増加割合を決めるステップは、緊締作業の第一の特殊な回転角での第一の瞬時トルク及び緊締作業の第二の特殊な回転角での続く第二の瞬時トルクをモニターし、そして線形近似を行うステップを含み、初期回転角は前記線形近似から推定され、トルクがゼロに等しい角度に対応する。   In a special embodiment of the invention, the step of determining the rate of increase in torque comprises a first instantaneous torque at the first special rotation angle of the tightening operation and a subsequent first step at the second special rotation angle of the tightening operation. Monitoring the second instantaneous torque and performing a linear approximation, the initial rotation angle is estimated from the linear approximation, and corresponds to an angle where the torque is equal to zero.

本発明の別の実施形態では、超音波パルスの飛行時間の増加割合を決めるステップは、緊締作業の第一の関連回転角での第一の瞬時飛行時間及び緊締作業の第二の関連回転角での続く第二の瞬時飛行時間をモニターし、そして線形近似を行うステップを含む。   In another embodiment of the invention, the step of determining the rate of increase of the time of flight of the ultrasonic pulse comprises the first instantaneous flight time at the first relevant rotation angle of the tightening operation and the second related rotation angle of the tightening operation. Monitoring the subsequent second instantaneous flight time at and performing a linear approximation.

本発明のなお別の実施形態では、ジョイントにおける確立した締付け力は、飛行時間の総増加に基いて、評価され、締付け力は、式F=k・ΔTOF(kはボルトの幾何学的形状及び材質に依存したボルトの比定数)に従って飛行時間の総増加に比例するとみなされる。 In yet another embodiment of the present invention, the established clamping force at the joint is evaluated based on the total increase in time of flight, and the clamping force is expressed by the formula F = k 1 · ΔTOF (k 1 is the bolt geometry It is considered proportional to the total increase in flight time according to the bolt's constant constant depending on the shape and material.

本発明の一つの実施形態では、締付け力の計算に続いて、緊締作業は、予定の目標締付け力で終了するように制御され、飛行時間の総増加は連続してモニターされ、そして締付け力は、飛行時間のモニターした増加から連続して計算される。   In one embodiment of the invention, following the calculation of the tightening force, the tightening operation is controlled to end at the scheduled target tightening force, the total increase in flight time is continuously monitored, and the tightening force is Calculated continuously from the monitored increase in flight time.

本発明の別の実施形態では、緊締作業は、予定の目標トルクで終了するように制御され、飛行時間の総増加はモニターされ、予定の目標トルクに合致ししかも緊締作業が終了される時に、飛行時間のモニターした総増加から締付け力が計算され得るようにされる。   In another embodiment of the invention, the tightening operation is controlled to end at the scheduled target torque, the total increase in flight time is monitored, and when the tightening operation is completed while meeting the planned target torque, The tightening force can be calculated from the monitored total increase in flight time.

本発明のなお別の実施形態では、緊締作業は、緊締作業の第一の関連した回転角で休止され、この回転角で超音波パルスの飛行時間の第一の瞬時値が測定される。   In yet another embodiment of the present invention, the tightening operation is paused at the first associated rotation angle of the tightening operation, and a first instantaneous value of the time of flight of the ultrasonic pulse is measured at this rotation angle.

本発明の全ての特殊な実施形態は、本発明の方法においてか或いは本発明の緊締装置において、制御ユニットが実行するようにされ得る特殊なステップとして実施され得る。   All special embodiments of the invention can be implemented as special steps that can be made to be performed by the control unit in the method of the invention or in the clamping device of the invention.

本発明のその他の特徴及び利点は、図面及び図示実施形態の詳細な説明から明らかとなる。   Other features and advantages of the present invention will be apparent from the drawings and detailed description of the illustrated embodiments.

以下の詳細な説明においては添付図面が参照される。   In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings.

緊締作業中におけるボルト及び整合ねじ部片の相互回転角αの関数としてトルクTを示す線図。Diagram showing the torque T as a function of the mutual rotation angle α of the bolt and the alignment screw piece during a tightening operation. 緊締作業中におけるボルト及び整合ねじ部片の相互回転角αの関数として締付け力Fを示す線図。Diagram showing the clamping force F as a function of the mutual rotation angle α of the bolt and the alignment screw piece during a tightening operation. ねじ込み作業の初期の段階におけるボルト及びナットを示す図。The figure which shows the volt | bolt and nut in the initial stage of a screwing operation | work. ナットをボルトにしっかりと締付けた時の図3のボルト及びナットを示す図。The figure which shows the volt | bolt and nut of FIG. 3 when a nut is fastened firmly to a volt | bolt. 本発明による方法の実施形態を示すブロック線図。1 is a block diagram illustrating an embodiment of a method according to the present invention.

図1の線図には、本発明による緊締作業が示されている。この線図には、第一及び第二のねじ部片から成るジョイントの緊締作業中における第一及び第二のねじ部片間の回転角αの関数としてトルクTが示されている。   The diagram of FIG. 1 shows the tightening operation according to the invention. This diagram shows the torque T as a function of the angle of rotation α between the first and second thread pieces during the tightening operation of the joint comprising the first and second thread pieces.

ジョイントは、図3及び図4にボルト10及びナット11で例示されている。この例では、ナット11はボルト10にねじ込まれてそれらの間にスポンジ部片12を締付けるようにされている。この例では、回転角αの関数としてトルクT及び締付け力Fの変動を示すため実際の緊締作業を単純化して示す。図3において、ナット11はボルト10の緩んだ端部に位置し、図4ではナット11は、所望の目標締付け力Ftargetに相当する目標回転角αtargetまでずうっとねじ込まれる。 The joint is illustrated by a bolt 10 and a nut 11 in FIGS. In this example, the nut 11 is screwed into the bolt 10 and the sponge piece 12 is fastened between them. In this example, the actual tightening operation is shown in a simplified manner in order to show variations in the torque T and the tightening force F as a function of the rotation angle α. In FIG. 3, the nut 11 is located at the loose end of the bolt 10, and in FIG. 4, the nut 11 is gradually screwed to the target rotation angle α target corresponding to the desired target tightening force F target .

図1の線図で見られるように、ナット11がボルト10にねじ込まれる際に、緊締作業の初期段階Aの間ではトルクTはゼロに近い。この初期段階A中には、トルクTは単に、ボルト10とナット11との間の摩擦に依存するだけである。ナット11がスポンジ部片12と接触するように回転角αでねじ込まれると、ナット11のさらなる動きによりスポンジ部片12は圧搾され、トルクTは増加し始める。緊締のその後の第二の段階Bではスポンジ部片12は完全なばねとして機能し、その受動“ばね力”は圧搾に比例して直線状に増加する。従って、ジョイントにおける締付け力Fは緊締作業の第二の段階B中、回転角αの関数として直線状に増加する。締付け力Fは例示した実施形態では、ボルト10の頭部13との間の胴部(図示していない)がボルト10のヘッド13に作用するスポンジ部片12からの増加した圧力の結果として弾性的に伸びるようにされる。締付け力Fは、スポンジ部片12のばね力と対向しているが等しく大きい。 As can be seen in the diagram of FIG. 1, when the nut 11 is screwed into the bolt 10, the torque T is close to zero during the initial stage A of the tightening operation. During this initial phase A, the torque T simply depends on the friction between the bolt 10 and the nut 11. When the nut 11 is screwed at the rotation angle α 0 so as to come into contact with the sponge piece 12, the sponge piece 12 is squeezed by further movement of the nut 11 and the torque T starts to increase. In the second stage B after tightening, the sponge piece 12 functions as a complete spring and its passive “spring force” increases linearly in proportion to the squeezing. Accordingly, the tightening force F at the joint increases linearly as a function of the rotation angle α during the second stage B of the tightening operation. In the illustrated embodiment, the clamping force F is elastic as a result of increased pressure from the sponge piece 12 acting on the head 13 of the bolt 10 with a barrel (not shown) between the head 10 of the bolt 10. To be stretched. The clamping force F is opposed to the spring force of the sponge piece 12 but is equally large.

さて、図1を参照すると、ボルト10に対してナット11を回すのに必要なトルクTは、ボルト10の軸方向力及びねじピッチに比例するので、緊締作業の第二の段階B中直線状に増加する。図示例では、ボルト10のねじピッチはボルト10の全長に沿って同じあり、それでトルクTは、ボルト10の全長に沿ってスポンジ12のばね力による軸方向力に直線的に比例する。   Now, referring to FIG. 1, the torque T required to turn the nut 11 relative to the bolt 10 is proportional to the axial force of the bolt 10 and the screw pitch, so that it is linear during the second stage B of the tightening operation. To increase. In the illustrated example, the screw pitch of the bolt 10 is the same along the entire length of the bolt 10, so that the torque T is linearly proportional to the axial force due to the spring force of the sponge 12 along the entire length of the bolt 10.

トルクTは、トルク供給装置に含まれたトルクメーターによって連続してモニターされ得る。トルク供給装置は、例えばナットランナーのようなトルクレンチ又は動力工具であり得る。特殊な目標トルクTtargetに向かって緊締を制御することは可能であり、このことは当該技術において普通である。普通ではあるが、特殊な目標トルクTtargetの代わりにジョイントにおいてある特定の目標締付け力Ftargetを達成することが望ましい。しかし、問題は、トルク供給装置によって直接締付け力Fを測定することができないことにある。代わりに、締付け力Fは、測定したトルクTから評価されるか又は例えば超音波パルスによって間接的に測定される。 The torque T can be continuously monitored by a torque meter included in the torque supply device. The torque supply device may be a torque wrench such as a nut runner or a power tool. It is possible to control the tightening towards a special target torque T target , which is common in the art. Usually, it is desirable to achieve a certain target tightening force F target at the joint instead of the special target torque T target . However, the problem is that the clamping force F cannot be measured directly by the torque supply device. Instead, the clamping force F is estimated from the measured torque T or indirectly measured, for example by ultrasonic pulses.

本発明では、締付け力Fは、ボルト10内の超音波パルスの飛行時間TOFを測定することによって間接的に測定される。超音波パルスの飛行時間TOFは、超音波パルスがボルト10を通って伝達しそして戻るのに要する時間に相当している。従って飛行時間TOFは、ボルトの長さを表している。従って、飛行時間の総増加ΔTOFは、ボルトの幾何学的形状及び組成に依存する既知の関係に従ってボルトの弾性部分の伸びに対応している。実際には、飛行時間の総増加ΔTOFは、ボルトの伸びに依存するだけでなく、ボルト10において誘起した張力にも依存し、それにより、物質における増加した張力は超音波パルスの飛行時間TOFの増加を生じさせる。それぞれ物質における増加した張力又はボルトの伸びに対応する飛行時間の増加ΔTOFがどの程度であるかの関係は、ボルト特有であり、各特殊なボルトの種類について経験的にテストされなければならないが、特殊な種類の各ボルトについてテストする必要はない。典型的には、飛行時間の総増加ΔTOF三分の一はボルトの実際の伸びに相当し、残りの三分の二は物質における増加した張力に相当する。   In the present invention, the clamping force F is measured indirectly by measuring the time-of-flight TOF of the ultrasonic pulse in the bolt 10. The time of flight TOF of the ultrasonic pulse corresponds to the time required for the ultrasonic pulse to travel through the bolt 10 and return. Therefore, the time of flight TOF represents the length of the bolt. Thus, the total increase in flight time ΔTOF corresponds to the elongation of the elastic part of the bolt according to a known relationship that depends on the geometry and composition of the bolt. In practice, the total increase in flight time ΔTOF is not only dependent on the elongation of the bolt, but also on the tension induced in the bolt 10, so that the increased tension in the material is the time of flight TOF of the ultrasonic pulse. Cause an increase. The relationship of what is the increased time of flight ΔTOF corresponding to increased tension or bolt elongation in each material is bolt specific and must be empirically tested for each particular bolt type, There is no need to test for each special type of bolt. Typically, one-third of the total increase in flight time ΔTOF corresponds to the actual elongation of the bolt and the remaining two-thirds corresponds to increased tension in the material.

図2において、ジョイントにおける締付け力Fは、緊締作業中における第一のねじ部片と第二のねじ部片との相互回転角度の関数として示されている。締付け力Fは、飛行時間の総増加ΔTOFに正比例する。飛行時間TOFの測定における問題点は、飛行時間ΔTOFが増加し始める回転角を決めることが困難であるので、飛行時間の総増加ΔTOFを知ることが明らかでないことにある。これは、ボルトを低トルクでねじ込む際に、ボルトのヘッドと超音波送信機との間の必要な固体接続を確立するのが困難であるためである。   In FIG. 2, the tightening force F at the joint is shown as a function of the mutual rotation angle between the first screw piece and the second screw piece during the tightening operation. The tightening force F is directly proportional to the total increase in flight time ΔTOF. The problem with measuring the time of flight TOF is that it is not clear to know the total increase in flight time ΔTOF because it is difficult to determine the rotation angle at which the time of flight ΔTOF begins to increase. This is because it is difficult to establish the necessary solid connection between the bolt head and the ultrasonic transmitter when screwing the bolt at low torque.

結果として、飛行時間の第一の測定値TOF1は、滑り嵌めを越えて緊締作業の第二段階B内に位置される第一の関連した回転角α’に相当する回転角で測定される。すなわち、この回転角では、超音波送信機とボルトのヘッドとの間に接続が確立される。本発明の特殊な実施形態では、緊締作業は、飛行時間の最初の測定値TOFが正しく測定されることを保証するまで中断され得る。飛行時間の最初の測定値TOFは、第一の関連した回転角α’で締付け力Fに相当している。この時点で、実際の締付け力Fを正しく評価することは不可能である。これは、上述のように、ボルト10が伸びて変形される前のボルト10の長さに相当する初期飛行時間TOFが既知でないためである。他方、接続が確立されると、飛行時間TOF及び従って締付け力Fの増加を連続してモニターすることは可能である。言い換えれば、飛行時間TOFの増加割合dTOF/dαを回転角αの関数として推定することは可能である。 As a result, the first measurement TOF1 time of flight is measured by the rotation angle corresponding to the rotation angle alpha '1 in which the first associated that is positioned in the second stage in the B tightening work beyond the snug fit . That is, at this rotational angle, a connection is established between the ultrasonic transmitter and the bolt head. In a special embodiment of the invention, the tightening operation can be interrupted until it guarantees that the first measurement TOF 1 of the time of flight is correctly measured. The first measurement TOF 1 of the time of flight corresponds to the clamping force F 1 at the first associated rotation angle α ′ 1 . At this point, it is possible to evaluate the actual clamping force F 1 correctly impossible. This is because, as described above, the initial flight time TOF 0 corresponding to the length of the bolt 10 before the bolt 10 is extended and deformed is not known. On the other hand, once the connection is established, it is possible to continuously monitor the increase in the time-of-flight TOF and thus the clamping force F. In other words, it is possible to estimate the increase rate dTOF / dα of the flight time TOF as a function of the rotation angle α.

本発明は、初期飛行時間TOFを測定する必要なしに、初期飛行時間TOFを見出す仕方を提供する。すなわち、トルクTの測定値を用いることによって、トルクT及び締付け力Fの両方が直線状に増加し始める回転角にボルトの弾性変形の初めの回転角αが対応しているので、ボルトの弾性変形の初めの回転角αを推定することは可能である。初めの回転角αは、トルクTの曲線を回転角αの関数として推定することによって見出され得る。ボルトの弾性変形の初めの回転角αは、ボルトの弾性変形が開始される回転角及び従ってトルクTがゼロに等しい場合の回転角である。 The present invention, without the need to measure the initial flight time TOF 0, provides a way to find the initial flight time TOF 0. That is, by using the measured value of the torque T, the initial rotation angle α 0 of the elastic deformation of the bolt corresponds to the rotation angle at which both the torque T and the tightening force F start to increase linearly. It is possible to estimate the initial rotation angle α 0 of the elastic deformation. The initial rotation angle α 0 can be found by estimating the torque T curve as a function of the rotation angle α. The initial rotation angle α 0 of the elastic deformation of the bolt is the rotation angle at which the elastic deformation of the bolt is started and thus the torque T is equal to zero.

本発明の特殊な実施形態では、本方法は下記のステップを含む。
(1)測定トルクTの増加に応じてトルクTの増加割合dT/dαを決めるために、第一の特殊な回転角αで第一の瞬時トルクTをモニターし、そして第二の特殊な回転角α2で第二の瞬時トルクTをモニターするステップ。
(2)飛行時間の増加割合dTOF/dαを決めるために、第一の関連した回転角α’で超音波パルスの飛行時間の第一の瞬時値TOFをモニターし、第二の関連した回転角α’で超音波パルスの飛行時間の続く第二の瞬時値TOFをモニターするステップ。飛行時間TOFをモニターする関連した回転角α’、α’は、トルクTを測定する特殊な回転角α、αと同じあり得るか或いは同じでないかもしれない。図2においては、飛行時間TOFではなく締付け力Fが回転角αの関数として示されている。これは、締付け力Fが飛行時間の総増加ΔTOFに正比例するので、可能である。従って、回転角αの関数として飛行時間TOFを示している曲線は、曲線の傾斜及びY軸に沿った位置を除いて同じである。しかし、図2に示す曲線において、これらの違いは、軸線を大きさなしで示しているので明らかではなく、それで曲線の物理的傾斜もY軸に沿った曲線の位置も示されていない。
(3)緊締作業の初期の回転角αは決め、初期の回転角αでトルクがボルトの変形の関数として増加し始めるステップ。図示例では、これは曲線が線形であると仮定してなされ、それで初期回転角α0は二つの回転角[α、T]及び[α、T]から後方へ曲線を推定することで見いだされ得る。本発明のその他の形態では、トルクTは回転角αに対して別の依存性をもち得る。しかし、ほとんどの場合に、トルクTは回転角αに対して線形に増加し、それでトルクTの増加割合dT/dαは一定である。
(4)緊締作業の初期回転角αは、緊締作業中の飛行時間の総増加ΔTOFを決めるために、飛行時間TOFが増加し始める回転角として定義されるステップ。ジョイントにおける締付け力Fは、ボルトの比係数及び飛行時間の総増加ΔTOFから直接誘起され得る。
In a special embodiment of the invention, the method comprises the following steps:
(1) In order to determine the increase rate dT / dα of the torque T according to the increase of the measured torque T, the first instantaneous torque T 1 is monitored at the first special rotation angle α 1 and the second special torque a second step of monitoring the instantaneous torque T 2 at Do rotation angle [alpha] 2.
(2) To determine the rate of increase in flight time dTOF / dα, the first instantaneous value TOF 1 of the time of flight of the ultrasonic pulse is monitored at the first relevant rotation angle α ′ 1 and the second relevant Monitoring the second instantaneous value TOF 2 followed by the time of flight of the ultrasonic pulse at the rotation angle α ′ 2 . The associated rotation angles α ′ 1 , α ′ 2 that monitor the time-of-flight TOF may or may not be the same as the special rotation angles α 1 , α 2 that measure the torque T. In FIG. 2, not the time of flight TOF but the clamping force F is shown as a function of the rotation angle α. This is possible because the clamping force F is directly proportional to the total increase in flight time ΔTOF. Thus, the curve showing the time of flight TOF as a function of the rotation angle α is the same except for the slope of the curve and the position along the Y axis. However, in the curves shown in FIG. 2, these differences are not apparent because the axes are shown without size, so neither the physical slope of the curves nor the position of the curves along the Y axis is shown.
(3) initial rotation angle alpha 0 of tightening operations decided, the step of torque in the initial rotation angle alpha 0 starts to increase as a function of the deformation of the bolt. In the illustrated example, this is done assuming that the curve is linear, so the initial rotation angle α0 is to estimate the curve backward from the two rotation angles [α 2 , T 2 ] and [α 1 , T 1 ]. Can be found in In other forms of the invention, the torque T may have another dependence on the rotational angle α. However, in most cases, the torque T increases linearly with respect to the rotation angle α, so that the increasing rate dT / dα of the torque T is constant.
(4) The initial rotation angle α 0 of the tightening operation is defined as a rotation angle at which the flight time TOF starts to increase in order to determine the total increase ΔTOF of the flight time during the tightening operation. The clamping force F at the joint can be directly induced from the bolt ratio factor and the total increase in time of flight ΔTOF.

上記の本発明の方法により、緊締作業は、特殊な目標締付け力Ftargetに向かって制御され得る。図1及び図2に示すように、緊締作業を終端すべきである目標回転角αtargetを推定することも可能である。目標回転角αtargetは、初期回転角αを飛行時間TOFの増加し始める回転角として画定するステップなしで決められ得る。代わりに、締付け力Fは、トルクT及び締付け力Fがそれぞれ回転角αの関数として増加する割合の差に基いて及びトルクTの瞬時値に基いて計算され得る。 With the inventive method described above, the tightening operation can be controlled towards a special target tightening force F target . As shown in FIGS. 1 and 2, it is also possible to estimate a target rotation angle α target that should end the tightening operation. The target rotation angle α target can be determined without defining the initial rotation angle α 0 as the rotation angle at which the time of flight TOF begins to increase. Instead, the clamping force F can be calculated based on the difference in the rate at which the torque T and the clamping force F increase as a function of the rotation angle α, respectively, and on the instantaneous value of the torque T.

本発明の特殊な実施形態では、飛行時間TOFか又はトルクTの増加割合を回転角αの関数としてモニターすることで十分である。すなわち、飛行時間TOFの増加割合dTOF/dα及びトルクTの増加割合dT/dαの両方が回転角αの関数として既知である場合、飛行時間TOFの瞬時値から締付け力Fを推定するために、一つの特殊な回転角α’におけるトルクTを知ることで十分である。これは、締付け力Fが式(1)F=k・TOF(ここでkはボルトの幾何学的形状及び組成に依存するボルトの比定数である)に従って飛行時間TOFに正比例することが知られているので、可能である。さらに、締付け力Fは、式(2)F=k・T(ここでk2はdT/dαで割ったdF/dαの割合に等しい)に従ってトルクTに比例する。 In a special embodiment of the invention, it is sufficient to monitor the time-of-flight TOF or the rate of increase of the torque T as a function of the rotation angle α. That is, when both the increase rate dTOF / dα of the flight time TOF and the increase rate dT / dα of the torque T are known as a function of the rotation angle α, in order to estimate the tightening force F from the instantaneous value of the flight time TOF, It is sufficient to know the torque T at one special rotation angle α ′. This means that the clamping force F is directly proportional to the time-of-flight TOF according to the equation (1) F = k 1 · TOF, where k 1 is the bolt ratio constant depending on the bolt geometry and composition. It is possible because it is known. Further, the clamping force F is proportional to the torque T according to the equation (2) F = k 2 · T (where k2 is equal to the ratio of dF / dα divided by dT / dα).

上記の式から、モニターしたトルク値Tαか又は特定の回転角αにおける飛行時間TOFαのモニターした値から角度αにおける締付け力Fαを推定することは可能となる。従って、原理的には飛行時間TOFかトルク値Tをモニターし、そして式(1)か又は式(2)のいずれかによって締付け力Fを評価することで緊締を推論することが可能である。   From the above equation, it is possible to estimate the tightening force Fα at the angle α from the monitored torque value Tα or the monitored value of the time of flight TOFα at a specific rotation angle α. Therefore, in principle, it is possible to infer tightening by monitoring the time-of-flight TOF or the torque value T and evaluating the tightening force F by either equation (1) or equation (2).

どの特殊な方法を用いるかにかかわらず、目標締付け力Ftargetは全緊締作業を通して再評価され得る。例えば、それぞれの曲線の傾きを決めるのに必要な二つよりさらなる特殊な回転角は、緊締作業中にできるだけ正確に瞬時の締付け力F及び目標締付け力Ftargetの両方を決めるのに含まれ得る。 Regardless of which special method is used, the target clamping force F target can be reevaluated throughout the entire clamping operation. For example, more than two special rotation angles required to determine the slope of each curve can be included to determine both the instantaneous clamping force F and the target clamping force F target as accurately as possible during the clamping operation. .

以上、本発明は一つの特殊な実施形態について説明してきた。しかし、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内でその他の実施形態が実行可能であることは当業者に明らかである。   The present invention has been described with respect to one specific embodiment. However, the present invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that other embodiments can be practiced within the scope of the invention as defined by the claims.

10 ボルト
11 ナット
12 スポンジ部片
13 ボルト10のヘッド
A 初期段階
B 第二の段階
T トルク
α 回転角
α 回転角
α1
α’第一の関連した回転角
α 第二の特殊な回転角
α’第二の関連した回転角
αtarget 目標トルク
F 締付け力
target
TOF 飛行時間
TOF初期飛行時間
ΔTOF飛行時間の総増加
TOF飛行時間の第一の測定値
dTOF/dα 飛行時間TOFの増加割合
dT/dα トルクTの増加割合
10 bolt 11 nut 12 sponge part 13 head of bolt 10 A initial stage B second stage T torque α rotation angle α 0 rotation angle α1
α ′ 1 first related rotation angle α 2 second special rotation angle α ′ 2 second related rotation angle α target target torque F tightening force F target
Rate of increase in TOF flight time TOF 0 percentage increase of the initial flight time ΔTOF first measurement value of the total increase in TOF 1 flight time of flight time dTOF / dα flight TOF dT / d [alpha] torque T

Claims (7)

緊締作業中にボルトと整合ねじ部片とのねじジョイントにおける締付け力(F)を評価する方法であって、
・トルク供給装置によってジョイントを緊締するステップと、
・前記ジョイントの緊締中にボルトと整合ねじ部片との間の回転角(α)を測定するステップと、
・緊締中にジョイントに供給されたトルク(T)を測定するステップと、
・ボルト内への超音波パルスの誘起と前記ボルトにおける前記超音波パルスの飛行時間(TOF)の測定とを同時に行うステップと、
・トルク(T)の測定値の増加に応じてトルク(T)の増加割合(dT/dα)を決めるために回転角(α)の関数としてトルク(T)をモニターするステップと、
・トルク(T)の決めた増加割合(dT/dα)に基いて、ボルトの変形の関数としてトルク(T)が増加し始める緊締作業の初期回転角(α0)を決めるステップであって、初期回転角(α 0 )は前記トルク(T)の増加割合(dT/dα)から推定され、トルク(T)がゼロに等しい角度に対応するステップと、
を含む方法において、
・超音波パルスの飛行時間(TOF)の増加割合(dTOF/dα)を決めるために回転角(α)の関数として超音波パルスの飛行時間(TOF1)をモニターするステップと、
・飛行時間(TOF)が増加し始める回転角として緊締作業の前記初期回転角(α0)を画定するステップと、
・緊締作業の前記初期回転角(α0)及び飛行時間(TOF)の前記増加割合(dTOF/dα)に基いて緊締作業中の飛行時間の総増加(ΔTOF)を決めるステップと、
・ジョイントにおける確立した締付け力(F)を、飛行時間の総増加(ΔTOF)に基いて評価し、締付け力(F)が、式F=k1・ΔTOF(k1はボルトの幾何学的形状及び材質に依存したボルトの比定数)に従って飛行時間の総増加(ΔTOF)に比例するとみなされるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
A method for evaluating a tightening force (F) at a screw joint between a bolt and an alignment screw part during a tightening operation,
A step of tightening the joint with a torque supply device;
Measuring the rotation angle (α) between the bolt and the alignment screw piece during tightening of the joint;
Measuring the torque (T) supplied to the joint during tightening;
Simultaneously inducing an ultrasonic pulse in the bolt and measuring the time of flight (TOF) of the ultrasonic pulse in the bolt;
Monitoring the torque (T) as a function of the rotation angle (α) to determine the rate of increase (dT / dα) of the torque (T) in response to an increase in the measured value of the torque (T);
Determining the initial rotation angle (α 0 ) of the tightening operation where the torque (T) starts to increase as a function of the deformation of the bolt based on the determined rate of increase (dT / dα) of the torque (T) , An initial rotation angle (α 0 ) is estimated from the rate of increase (dT / dα) of the torque (T), and the torque (T) corresponds to an angle equal to zero ;
In a method comprising:
Monitoring the time of flight (TOF1) of the ultrasonic pulse as a function of the rotation angle (α) to determine the rate of increase (dTOF / dα) of the time of flight (TOF) of the ultrasonic pulse;
Defining the initial rotation angle (α 0 ) of the tightening operation as the rotation angle at which the time of flight (TOF) begins to increase;
Determining a total increase in flight time (ΔTOF) during the tightening operation based on the initial rotation angle (α 0 ) of the tightening operation and the rate of increase (dTOF / dα) of the flight time (TOF);
・ Evaluate the established tightening force (F) at the joint based on the total increase in flight time (ΔTOF), and the tightening force (F) is expressed by the formula F = k1 ・ ΔTOF (k1 is the bolt geometry and material) A step that is considered proportional to the total increase in time of flight (ΔTOF) according to
A method comprising the steps of:
トルク(T)の増加割合(dT/dα)を決めるステップは、緊締作業の第一の特殊な回転角(α1)での第一の瞬時トルク(T1)及び緊締作業の第二の特殊な回転角(α2)での続く第二の瞬時トルク(T2)をモニターし、そして線形近似を行うステップを含み、初期回転角(α0)は前記線形近似から推定され、トルク(T)がゼロに等しい角度に対応すること
を特徴とする請求項1記載の方法。
The step of determining the increase rate (dT / dα) of the torque (T) includes the first instantaneous torque (T 1 ) at the first special rotation angle (α 1 ) of the tightening operation and the second special of the tightening operation. Monitoring the subsequent second instantaneous torque (T 2 ) at the correct rotation angle (α 2 ) and performing a linear approximation, the initial rotation angle (α 0 ) is estimated from the linear approximation and the torque (T 2. The method according to claim 1, characterized in that) corresponds to an angle equal to zero.
超音波パルスの飛行時間(TOF)の増加割合(dTOF/dα)を決めるステップは、緊締作業の第一の関連回転角(α’1)での第一の瞬時飛行時間(TOF1)及び緊締作業の第二の関連回転角(α’2)での続く第二の瞬時飛行時間(TOF2)をモニターし、そして線形近似を行うステップを含むこと
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の方法。
The step of determining the rate of increase (dTOF / dα) of the time of flight (TOF) of the ultrasonic pulse consists of the first instantaneous flight time (TOF 1 ) and the tightening at the first relevant rotation angle (α ′ 1 ) of the tightening operation. 3. Monitoring the subsequent second instantaneous time of flight (TOF 2 ) at a second relevant rotation angle (α ′ 2 ) of work and performing a linear approximation. The method described.
締付け力(F)の計算に続いて、緊締作業は、予定の目標締付け力(Ftarget)で終了するように制御され、飛行時間の総増加(ΔTOF)は連続してモニターされ、そして締付け力(F)は、飛行時間のモニターした増加(ΔTOF)から連続して計算されることを特徴とする請求項1記載の方法。 Following the calculation of the clamping force (F), the clamping operation is controlled to end at the scheduled target clamping force (F target ), the total increase in flight time (ΔTOF) is continuously monitored, and the clamping force 2. The method of claim 1, wherein (F) is calculated continuously from a monitored increase in flight time ([Delta] TOF). 緊締作業は、予定の目標トルク(Ttarget)で終了するように制御され、飛行時間の総増加(ΔTOF)はモニターされ、予定の目標トルク(Ttarget)に合致ししかも緊締作業が終了される時に、飛行時間のモニターした総増加(ΔTOF)から締付け力(F)が計算され得るようにされること
を特徴とする請求項1記載の方法。
The tightening operation is controlled to end at the scheduled target torque (T target ), the total increase in flight time (ΔTOF) is monitored, and the tightening operation is completed while meeting the planned target torque (T target ). 2. Method according to claim 1, characterized in that the clamping force (F) is sometimes calculated from the monitored total increase in flight time ([Delta] TOF).
緊締作業は、緊締作業の第一の関連した回転角(α’1)で休止され、この回転角で超音波パルスの飛行時間の第一の瞬時値(TOF1)が測定されること
を特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項記載の方法。
The tightening operation is paused at the first associated rotation angle (α ′ 1 ) of the tightening operation, and the first instantaneous value (TOF 1 ) of the time of flight of the ultrasonic pulse is measured at this rotation angle. The method according to any one of claims 1 to 5.
少なくとも一つのボルトと整合ねじ部片とを含むジョイントを緊締する緊締装置であって、
・ボルト及び整合ねじ部片に相互回転を供給するために工具装置を駆動する軸と
・前記軸を駆動するモーターと
を含むトルク供給装置を有し、
緊締装置はさらに、
・前記ジョイントの緊締作業中にボルトと整合ねじ部片との間でジョイントに加えた回転角の関数としてトルクを測定するトルク測定装置と、
・少なくとも一つのボルトへ超音波パルスを誘起させ、前記ボルトにおける前記パルスの飛行時間(TOF)を測定する超音波送信装置と、
・前記ジョイントの緊締中に少なくとも一つのボルトと整合ねじ部片との間の回転角(α)を測定する回転角測定装置と、
を有する緊締装置において、
・測定したトルク(T)に基いて、トルク(T)の増加割合(dT/dα)を回転角(α)の関数として決め、
・測定した飛行時間(TOF)に基いて、飛行時間(TOF)の増加割合(dTOF/dα)を回転角(α)の関数として決め、
・トルク(T)の決めた増加割合(dT/dα)に基いて、ボルトの変形によりトルク(T)が増加し始める初期回転角(α0)を決め、初期回転角(α 0 )は前記トルク(T)の増加割合(dT/dα)から推定され、トルク(T)がゼロに等しい角度に対応し、
・飛行時間(TOF)が増加し始める回転角として前記初期回転角(α0)を画定し、
・前記初期回転角(α0)及び飛行時間(TOF)の前記増加割合(dTOF/dα)に基いて、緊締作業中の飛行時間(TOF)の総増加(ΔTOF)を決め、
・ジョイントにおける確立した締付け力(F)を、飛行時間の総増加(ΔTOF)に基いて評価し、締付け力(F)が、式F=k1・ΔTOF(k1はボルトの幾何学的形状及び材質に依存したボルトの比定数)に従って飛行時間の総増加(ΔTOF)に比例するとみなされるようにされた制御ユニットを有すること、
を特徴とする緊締装置。
A tightening device for tightening a joint including at least one bolt and an alignment screw piece,
A shaft for driving the tool device to supply mutual rotation to the bolt and the alignment screw piece; and a torque supply device including a motor for driving the shaft;
The tightening device
A torque measuring device that measures torque as a function of the rotational angle applied to the joint between the bolt and the alignment screw piece during the joint tightening operation;
An ultrasonic transmitter for inducing an ultrasonic pulse on at least one bolt and measuring a time of flight (TOF) of the pulse on the bolt;
A rotation angle measuring device for measuring a rotation angle (α) between at least one bolt and the alignment screw part during tightening of the joint;
In a tightening device having
-Based on the measured torque (T), the rate of increase in torque (T) (dT / dα) is determined as a function of the rotation angle (α),
-Based on the measured time of flight (TOF), the rate of increase in time of flight (TOF) (dTOF / dα) is determined as a function of the rotation angle (α),
The initial rotation angle (α 0 ) at which the torque (T) starts to increase due to the deformation of the bolt is determined based on the determined increase rate (dT / dα) of the torque (T), and the initial rotation angle (α 0 ) Estimated from the rate of increase of torque (T) (dT / dα), corresponding to an angle where torque (T) equals zero;
Defining the initial rotation angle (α 0 ) as the rotation angle at which the time of flight (TOF) begins to increase;
-Based on the initial rotation angle (α 0 ) and the increase rate (dTOF / dα) of the flight time (TOF), the total increase (ΔTOF) of the flight time (TOF) during the tightening operation is determined,
・ Evaluate the established tightening force (F) at the joint based on the total increase in flight time (ΔTOF), and the tightening force (F) is expressed by the formula F = k1 ・ ΔTOF (k1 is the bolt geometry and material) Having a control unit adapted to be considered proportional to the total increase in time of flight (ΔTOF) according to the ratio constant of bolts depending on
Tightening device characterized by.
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